SAMOCHÓD ELEKTRYCZNY JAKO ZASOBNIK DLA INSTALACJI PROSUMENCKIEJ

ELEKTRYKA 2013 Zeszyt 4 (228) Rok LIX Marcin FICE, Rafał SETLAK Politechnika Śląska w Gliwicach SAMOCHÓD ELEKTRYCZNY JAKO ZASOBNIK DLA INSTALACJI PROSUMENCKIEJ Streszczenie. W artykule przedstawiono możliwość konwersji samochodu z silnikiem spalinowym na samochód elektryczny. Pokazano wyniki obliczeń i analiz efektu ekologicznego dla zbudowanego samochodu elektrycznego, którego zasobnik energii elektrycznej (akumulatory kwasowo-ołowiowe) ładowany jest z sieci elektroenergetycznej. Przedstawiono możliwości wykorzystania obecnie stosowanych technologii zasobników akumulatorowych samochodów elektrycznych. Pokazano wpływ różnych cykli pracy (ładowania i wyładowania) na trwałość akumulatorów oraz koszty magazynowania energii w zależności od cyklu pracy oraz zastosowanej technologii akumulatorów. Słowa kluczowe: samochód elektryczny, akumulator, energetyka prosumencka ELECTRIC CAR AS ENERGY STORAGE FOR PROSUMER ENERGY INSTALATIONS Summary. The paper presents the possibility to convert a car with an internal combustion engine to an electric car. Results of the calculation and analysis of the environmental effect of the electric car are showed, which batteries (lead acid) are charged from traditional power system. The paper presents also the possibilities of using currently used technologies of batteries from electric vehicles. Influence of different working cycles (charge and discharge) on the life cycle of batteries and storage costs, depending of life cycles and the battery technology, are shown. Keywords: electric car, battery, prosumer energy 1. WPROWADZENIE Sensowność użytkowania samochodów elektrycznych wydaje się w obecnej chwili kontrowersyjna, głównie ze względu na ceny tych samochodów. Samochody elektryczne ze względu na koszty związane z zasobnikiem energii elektrycznej są bardzo drogie. Natomiast działania rządowe w kierunku ulg i dofinansowań mogą pozwolić na zmniejszenie kosztu dla odbiorcy końcowego. Korzystanie z samochodu elektrycznego może okazać się opłacalne

26 M. Fice, R. Setlak w przypadku carsharing u (czyli współużytkowania samochodów), tego typu działania już są realizowane w Europie. Biorąc pod uwagę ciągle rosnące ceny ropy naftowej oraz zaostrzające się limity emisji spalin i koszty z tym związane (kary nakładane na producentów samochodów za emisję CO 2 ponad ustalony limit), może w niedalekiej przyszłości okazać się, że zostaniemy zmuszeni do zmiany środków transportu na napęd elektryczny. Oprócz efektu ekonomicznego i ekologicznego, w czasie kiedy coraz bardziej promowana jest rozproszona energetyka prosumencka oparta na odnawialnych źródłach energii (OZE), samochody elektryczne staną się bardzo ważnym ogniwem w wytwarzaniu i przesyle energii elektrycznej. Ze względu na nieprzewidywalny proces wytwarzania energii ze źródeł wiatrowych i słonecznych dla stabilności systemu elektroenergetycznego oraz w celu podniesienia efektywności wykorzystania odnawialnej energii elektrycznej niezbędne będą zasobniki tej energii. Właśnie w tym obszarze samochody elektryczne mogą stać się zasobnikiem energii dla źródeł odnawialnych w cyklu bilansowania podaży i popytu. Celem pracy było m. in. zaprojektowanie i wykonanie pojazdu o napędzie elektrycznym, który będzie pełnił funkcję mobilnego magazynu energii w sieci Smart Grid należącej do Internetowego Laboratorium Energetyki Prosumenckiej ilab EPRO na Wydziale Elektrycznym Politechniki Śląskiej. Zasobnik energii samochodu elektrycznego będzie ładowany, a także rozładowywany do sieci energetycznej w zależności od trybu użytkowania kierowców oraz zapotrzebowania sieci, tak aby pojazd był źródłem dochodu dla prosumenta. 2. SAMOCHÓD ELEKTRYCZNY KONWERTOWANY Nowe fabryczne samochody elektryczne są drogie, znacznie droższe od samochodów z silnikami spalinowymi. Jedną z możliwości obniżenia kosztu zakupu samochodu elektrycznego jest przebudowa samochodu tradycyjnego. Na rynku jest dostępnych wiele rozwiązań układów napędowych, od silników szeregowych DC poprzez silniki indukcyjne do silników PMSM. Ograniczeniem jest budżet przeznaczony na przebudowę oraz minimalne parametry układu napędowego. Do przebudowy w ramach projektu wybrano samochód Fiat Palio Weekend z silnikiem benzynowym o pojemności 1,2 dm 3. Wybrano nadwozie kombi ze względu na łatwy dostęp do przestrzeni bagażowej, gdzie zainstalowano baterię akumulatorów. Do napędu samochodu wybrano silnik szczotkowy z magnesami trwałymi Lemco LMC 200-135D o mocy znamionowej 14,5 kw (przeciążany do 18,5 kw), nominalny moment obrotowy wynosi 36,4 Nm, maksymalna sprawność wynosi 90%. Silnik jest zasilany i sterowany z kontrolera PG Sigmadrive PMT835M. W celu zoptymalizowania zużycia energii przez pojazd pozostawiono istniejącą skrzynię biegów.

Samochód elektryczny jako zasobnik... 27 Rys. 1. Samochód elektryczny konwertowany Fiat Palio Weekend Fig. 1. Converted electric car Fiat Palio Weekend Najdroższym komponentem samochodu elektrycznego jest bateria akumulatorów, od jej wyboru w głównej mierze zależeć będą późniejsze koszty eksploatacji samochodu. Założono, na podstawie zrealizowanych badań [2], że samochód będzie poruszał się 6 razy w tygodniu (300 razy w roku), będzie pokonywał dzienną trasę o długości 20 km. Dobrano baterię akumulatorów o znamionowej pojemności energetycznej 7,2 kwh (akumulatory AGM VRLA, 6x 100 Ah, 12 V). Dla dobranej baterii akumulatorów wyznaczono charakterystyki energetyczne (tabela 1). Parametry akumulatorów AGM VRLA (100Ah, 72 V) Tabela 1 I d [A] T d [min] C d [Ah] U d_av [V] C w /C n [-] I d /I n [-] p d [W/kg] q en [Wh/kg] η en [-] 200 13 43 67,14 0,43 40 69,94 15,15 0,66 100 33 55 67,32 0,55 20 35,06 19,28 0,66 62 60 62 68,76 0,62 12,4 22,20 22,20 0,67 26 180 78 69,06 0,78 5,2 9,35 28,06 0,68 16,5 300 82,5 70,56 0,83 3,3 6,06 30,32 0,69 9,5 610 96,5 71,04 0,97 1,9 3,52 35,74 0,7 5 1200 100 71,1 1 1 1,85 37,03 0,7 I d prąd rozładowania, T d czas rozładowania, C w pojemność wyładowania, U d_av średnie napięcie wyładowania, C n pojemność znamionowa, I n prąd znamionowy, q en gęstość energii, p d gęstość mocy, η en sprawność energetyczna. Względny prąd wyładowania: T N czas odniesienia (T N =1h), C w pojemność wyładowania, Cn pojemność znamionowa. (1) Wskaźnik wykorzystania energii: E w rzeczywista dostępna energia, E n dostępna energia przy prądzie znamionowym. (2)

28 M. Fice, R. Setlak Rys. 2. Wskaźnik wykorzystania energii akumulatora Fig. 2. Index of capacity use as function of relative discharge current Rys. 3. Jednostkowa energia wyładowania Fig. 3. Discharge energy density as function of power discharge density Wraz ze zmianą temperatury otoczenia zmienia się pojemność zasobnika energii w pojeździe elektrycznym, co należy uwzględnić podczas projektowania gęstości punktów dostępu do usługi carsharingu. Na rysunku 4 przedstawiono wyniki obliczeń zmian pojemności zasobnika kwasowo-ołowiowego w funkcji temperatury. Na podstawie zmian temperatur na obszarze miasta Gliwice wyznaczono zmiany pojemności akumulatorów w ciągu roku (rys. 5). Rys. 4. Względna pojemność akumulatorów Fig. 4. Relative capacity of battery as function of temperature

Samochód elektryczny jako zasobnik... 29 Rys. 5. Zmiany pojemności akumulatorów w ciągu roku Fig. 5. Dependency of battery capacity as function of temperature during the year Akumulatory zasilające samochód elektryczny pracują w reżimie cyklicznym, czyli w cyklach rozładowywania mocą obciążenia i następnie ładowania, są narażone na szybką utratę trwałości. Trwałość akumulatorów kwasowo-ołowiowych, jak również innych typów jest zależna od głębokości wyładowania. Na rysunku 5 pokazano charakterystykę trwałości przykładowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM z przeznaczeniem do pracy cyklicznej. Założono, że akumulator utraci trwałość, kiedy pojemność spadnie do 60% pojemności znamionowej. Rys. 6. Trwałość akumulatorów AGM VRLA Fig. 6. Life cycle of VRLA batteries as function of DOD NEDC): Założono dwa warianty pokonywania dziennego dystansu (zużycie energii wg testu a) Samochód ładowany jest 2 razy dziennie, po przejechaniu dystansu 10 km zużyje 2,3kWh, a głębokość wyładowania wyniesie 31,9%. Na podstawie charakterystyki dobranego akumulatora można przyjąć, że trwałość akumulatora wyniesie ok. 1700 cykli, czyli dla tego profilu użytkowania trwałość zasobnika to ok. 5,5 roku. b) Pojazd jest ładowany codziennie i przejeżdża na jednym ładowaniu dystans 20 km, a zużycie energii wynosi 4,6kWh. Głębokość wyładowania zasobnika sięga 63,8%, trwałość to ok. 750 cykli ładowania, a żywotność baterii około 2,5 roku.

30 M. Fice, R. Setlak Z powyższego porównania można wnioskować, że korzystniejsze ekonomicznie jest częstsze ładowanie akumulatorów i praca w płytkich cyklach wyładowanie/ładowanie. Zaletą akumulatorów kwasowo-ołowiowych wykonanych w technologii VRAL AGM jest możliwość kilkukrotnego odbudowania pojemności zużytego akumulatora za pomocą urządzeń sterowanych cyfrowo MCS M1007F i impulsów niskoprądowych o wysokiej częstotliwości. Impulsy prądu o częstotliwości w zakresie 100-180Hz i równoczesna kontrola temperatury ogniw w urządzeniach MCS M1007F pozwala na: eliminację substancji chemicznych do rozpuszczania PBSO4 w płytach, technologia procesu jest ekologiczna i zmniejsza koszty regeneracji, eliminację substancji chemicznych do chłodzenia podczas regeneracji. 3. EMISJA CO 2 PRZEZ SAMOCHODY Jednym z ważniejszych parametrów, jaki będzie brany przez operatorów sieci carsharingowych przy kompletacji taboru pojazdów, będzie ich zużycie energii. Obecnie pojazdy elektryczne EV i hybrydowe HEV przechodzą podobne procedury jej wyznaczania co ich odpowiedniki spalinowe. W Europie są to testy NEDC, a w USA nazywane EPA. W tabeli 2 zamieszczono wyniki obu z nich dla pojazdów dostępnych na polskim rynku. Tabela 2 Wyniki testów NEDC oraz EPA dla wybranych samochodów elektrycznych Model Pojemność znamionowa [kwh] Zasięg w NEDC [km] Zużycie energii w NEDC [kwh/100 km] Mitsubishi imiev 16 100 16 Nissan Leaf 24 175 (117 by EPA) 13,7 (34 wg EPA) Renault Fluence Z.E. 22 160 13,8 Toyota Prius Plug-in 4,4 23 (18 wg EPA) 32,2 (wg EPA) Opel Ampera 16 83 (57 wg EPA) 19,3 (36 wg EPA) Zużycie energii wiąże się bezpośrednio z emisją CO 2. Samochody elektryczne, których akumulatory ładowane są z elektrowni tradycyjnych (węglowych), również należy zaliczyć do grona pojazdów emitujących CO 2. W Polsce energetyka, oparta głównie na węglu, emituje 0,89 t CO 2 na wyprodukowaną 1 MWh energii elektrycznej [3]. W przypadku produkcji energii elektrycznej w kogeneracji gazowej emisja CO 2 wynosi 0,3 t/mwh. W celu porównania zużycia energii w paliwach pierwotnych (benzyna dla silnika spalinowego, węgiel dla silnika elektrycznego) wyznaczono energię na kołach pojazdu pokonującego trasę, zgodnie z cyklem NEDC. Energia na kołach pojazdu niezbędna do pokonania cyklu NEDC wynosi E NEDC 13 kwh/100 km. Analizowany samochód zużywa średnio 7 dm 3 benzyny bezołowiowej na 100 km. Do obliczeń przyjęto wartość opałową benzyny bezołowiowej 31,8 MJ/dm 3. Emisja CO 2 ze spalania benzyny silnikowej wynosi, wg

Samochód elektryczny jako zasobnik... 31 [3], 68,61 kg/gj. Sprawność układu napędowego konwertowanego samochodu elektrycznego w cyklu NEDC wynosi 48%. Zużycie energii i emisja CO 2 przez samochody ICE (benzyna EV (elektrownia EV (CHP) bezołowiowa) węglowa) Energia na 100 km 61,8 kwh 27,1 kwh 27,1 kwh Emisja CO 2 /100km 15,3 kg 24,1 kg 8,13 kg Tabela 3 4. SAMOCHODY ELEKTRYCZNE W ENERGETYCE OPARTEJ NA OZE Z przeprowadzonych badań na temat wykorzystania pojazdów osobowych wynika, że samochód będący w posiadaniu jednego użytkownika jeździ średnio nieco ponad godzinę dziennie [4]. Wykonane badania wykazały, że w aglomeracji śląskiej ok. 50% użytkowników nie pokonuje dziennie więcej niż 30 km. Posiadanie własnego samochodu do poruszania się tylko w terenie miejskim staje się ekonomicznie nieuzasadnione. W zamian za posiadanie własnego samochodu miejskiego możliwe jest współużytkowanie pojazdów carsharing. W ramach carsharingu samochód może być wykorzystywany dużo efektywniej i może zastąpić nawet 5-6 pojazdów firmowych czy prywatnych. Carsharing nie zastąpi jednak komunikacji publicznej. Przeprowadzone badania pokazują, że dosyć często z usługi korzystają klienci na co dzień podróżujący taborem miejskim, a także poruszający się pieszo czy rowerem. Pokolenie "młodych kreatywnych" nie potrzebuje samochodu, aby manifestować wysoki status społeczny. Coraz większa liczba osób myśli "społecznie", "kolektywnie" i "ekologicznie" o swoich codziennych wyborach. Carsharing, jak i wszystkie idee "share" (z ang. "dzielić się"), to produkt właśnie dla nich. Celowo wspomniano tutaj o współużytkowaniu samochodu, a samochody elektryczne idealnie nadają się do wykorzystania w systemie carsharing. Z punktu widzenia użytkownika pojazdu elektrycznego może wydawać się, iż ta technologia jest nieopłacalna. Zważywszy na cele Pakietu 3x20 (samochody elektryczne zasilane ze źródeł odnawialnych zaliczają się do celów redukcji CO 2 Pakietu 3x20 z mnożnikiem 2,5) oraz przyszłe kary nakładane na producentów za niedotrzymanie norm czystości spalin transport elektryczny okazuje się opłacalny i wręcz konieczny. Konieczność ta wynika z faktu nieprzewidywalności produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych (głównie fotowoltaiki i wiatraków), wówczas flota samochodów elektrycznych staje się również zasobnikiem sieci z przyłączonymi OZE i spełnia funkcję bufora energii elektrycznej z możliwością wyrównywania obciążeń. W czasie kiedy samochód nie jest użytkowany, można go (część systemu Smart Grid) podłączyć do sieci energetycznej (V2G Vehicle to Grid) i sprzedawać energię z zyskiem w pewnych okresach nadwyżki energii z baterii akumulatorów swojego samochodu. Codzienne

32 M. Fice, R. Setlak ładowanie płytko wyładowanych ogniw jest korzystne dla wydłużenia ich trwałości (bateria pracuje w małych zakresach wybieranych pojemności). Akumulatory samochodu elektrycznego podłączone do sieci elektroenergetycznej w pewnych warunkach mogą pracować jako źródło energii elektrycznej dla gospodarstwa domowego przy pracy wyspowej (sytuacje awaryjne). Natomiast najkorzystniejszy efekt ekologiczny i ekonomiczny uzyskany zostanie w przypadku ładowania akumulatorów samochodu elektrycznego bezpośrednio z odnawialnego źródła energii, np. ogniw fotowoltaicznych. Założono, że w gospodarstwie domowym będzie zastosowana tak zwana mikrosieć energetyczna. Przez pojęcie mikrosieci rozumie się układ połączeń źródeł i odbiorników w obrębie jednego budynku dla specyficznych zastosowań, np. zasilania wybranych odbiorników podczas losowych przerw w dostawach energii. Taka mikrosieć będzie także umożliwiała odłączanie w pewnych warunkach budynku mieszkalnego od zasilania sieciowego, a energia będzie zapewniona przez zasobnik energii umieszczony w pojeździe elektrycznym. 5. BATERIA SAMOCHODU ELEKTRYCZNEGO DO ZASILANIA DOMU INTELIGENTNEGO Rozważono możliwość zasilania domu jednorodzinnego z akumulatorów samochodu elektrycznego. W celu dostosowania instalacji elektrycznej oraz odbiorników do zasilania z akumulatorów (czyli źródła o ograniczonej energii) zmodernizowano zestaw odbiorników elektrycznych oraz wyeliminowano niektóre urządzenia zasilane podczas pracy z akumulatorów. W tym celu konieczna jest modernizacja instalacji elektrycznej z rozdzielonymi obwodami dla zasilania tylko z sieci energetycznej oraz zasilanych z dwóch źródeł sieci energetycznej oraz akumulatorów. Moc zainstalowana odbiorników energii elektrycznej to 21 kw. Założono pojemność baterii samochodu elektrycznego - 150 Ah, napięcie 72 V, energię znamionową 10,8 kwh. Rozważono kilka wariantów wyposażenia elektrycznego gospodarstwa domowego zasilanego z akumulatorów samochodu EV oraz trybów pracy i pór roku: 1. Praca autonomiczna w lecie: Wariant 1 uwzględnia wszystkie urządzenia. Wariant 2 z wyłączeniem bojlera. Wariant 3 z wyłączeniem bojlera i płyty elektrycznej, kuchenki mikrofalowej i czajnika elektrycznego. 2. Praca autonomiczna w zimie (nie uwzględniono energii potrzebnej na ogrzewanie): Wariant 4 uwzględnia urządzenia. Wariant 5 z wyłączeniem bojlera. Wariant 6 z wyłączeniem bojlera i płyty elektrycznej.

Samochód elektryczny jako zasobnik... 33 3. Praca awaryjna w lecie: Wariant 7 uwzględnia wszystkie wymienione urządzenia elektryczne. Wariant 8 z wyłączeniem bojlera. 4. Praca awaryjna w zimie: Wariant 9 uwzględnia wszystkie wymienione urządzenia elektryczne. Wariant 10 z wyłączeniem bojlera. Praca autonomiczna charakteryzuje się możliwością podłączenia wszystkich urządzeń elektrycznych dostępnych w gospodarstwie domowym do sieci zasilanej z akumulatorów samochodu elektrycznego. Założenia oszczędnościowe: energooszczędne odbiorniki energii elektrycznej. Praca awaryjna zasilanie, w przypadku zaniku zasilania sieciowego, niektórych niezbędnych odbiorników (oświetlenie, lodówka, czajnik elektryczny itp.) z baterii akumulatorów samochodu elektrycznego. Na rysunku 7 pokazano przykładowy przebieg zmian mocy elektrycznej. Na rysunku 8 pokazano przykładowy uporządkowany przebieg mocy z naniesionymi wartościami dziennej mocy średniej P śr i mocy znamionowej zasobnika P n. Ustalając plan załączania poszczególnych urządzeń elektrycznych, kierowano się minimalizacją szczytowych wartości zapotrzebowania na moc, ze względu na ograniczoną moc zasobnika akumulatorowego. Prąd znamionowy baterii akumulatorów wynosi I n = 7,5 A. Prąd ten odpowiada mocy ok. 540 W, moc tę nazwano mocą znamionową P n. Zużycie energii i pojemność akumulatorów obliczono dla rzeczywistych zmian mocy w ciągu doby: C w max C n pojemność znamionowa akumulatora, Cmax( I w ) Cw (3) C C max (I w ) pojemność akumulatora odpowiadająca określonemu prądowi wyładowania, C w pojemność wyładowania akumulatora n C w I w dt Rzeczywista pojemność zasobnika jest w każdym z wariantów mniejsza od pojemności znamionowej, co przekłada się także na głębokość rozładowania akumulatorów w każdym cyklu i trwałość akumulatorów.

34 M. Fice, R. Setlak Rys. 7. Moc w porze zimowej z grzaniem wody w bojlerze Fig. 7. Off-grid mode power demand in winter Rys. 8. Uporządkowany przebieg mocy elektrycznej w porze zimowej z grzaniem wody w bojlerze Fig. 8. Time ordered power demand in winter Nr Tabela 4 Parametry energetyczne wariantów zasilania z akumulatorów samochodu EV dla rzeczywistych zmian mocy Energia dzienna średnia/ maksymalna [W] Pojemność rzeczywista [Ah]/ Zapotrzebowanie [kwh]/ Czas pracy [h] Dzienna głębokość wyładowania [%]/ Trwałość [cykle] 1 757,4/2420 122/8,7/10 100/ 400 2 319,9/2420 133/9,4/29 82/ 500 3 207,4/2420 139/10/43 50/ 900 4 784,5/2420 120/8,6/9 100/ 400 5 357,4/2420 131/9,3/26 94/ 400 6 236,6/2420 137/9,9/41 58/ 750 7 217,4/2220 131/9,4/37 55/ 800 8 134,1/1360 146/10,4/76 31/ 1800 9 223,6/2220 132/9,4/37 57/ 750 10 140,3/1360 146/10,4/76 33/ 1800

Samochód elektryczny jako zasobnik... 35 6. PORÓWNANIE KOSZTÓW MAGAZYNOWANIA ENERGII ZASOBNIKÓW MOBILNYCH Koszt magazynowania energii zależy od ceny akumulatorów oraz ich trwałości. Trwałość akumulatorów litowych nie jest znacznie lepsza od akumulatorów kwasowych, biorąc wpływ głębokości rozładowania na trwałość akumulatorów. Nie brano pod uwagę sposobu ładowania akumulatorów, od którego także zależy trwałość ogniw. Trwałość akumulatorów podana w tabeli 5 dotyczy niewielkiej głębokości wyładowania, zwykle nie więcej niż do 80%. Dotyczy to także akumulatorów Li-Ion, których trwałość przy głębokim rozładowaniu jest jedynie dwukrotnie wyższa od PbSO4. Tabela 5 Podstawowe parametry energetyczne akumulatorów oraz trwałość Li-Ion Lead-acid Energy density [Wh/kg] 150 40 Koszt jednostkowy [$/kwh] 1000 135 Trwałość [cykle] 1000 2000 1000-1800 Porównano dwa zestawy baterii akumulatorów: 1) lead-acid, 2) Li-Ion o podobnej pojemności energetycznej 10,5 kwh dla prądu znamionowego. Na rysunkach 10 i 11 pokazano, odpowiednio, koszty energii dla obu typów baterii, z uwzględnieniem prądu wyładowania oraz głębokości wyładowania. W analizie kosztów nie uwzględniono możliwości odsprzedaży zużytych akumulatorów. Rys. 9. Porównanie kosztów magazynowania energii dla akumulatora kwasowo-ołowiowego w zależności od głębokości wyładowania i prądu wyładowania Fig. 9. Comparison between energy costs, DOD and cycle energy of lead acid battery (nominal energy 10,8 kwh), for three values of discharge current I= 0,1C, 0,2C and 1C

36 M. Fice, R. Setlak Rys. 10. Porównanie kosztów magazynowania energii dla akumulatora Li-Ion w zależności od głębokości wyładowania i prądu wyładowania Fig. 10. Comparison between energy costs, DOD and cycle energy of Li-Ion battery (nominal energy 10,5 kwh), for three values of discharge current I= 0,1C, 1C and 5C 7. ZAKOŃCZENIE Akumulatory kwasowo-ołowiowe są technologicznie bardzo dobrze opracowane, znane są różne metody ładowania oraz odzysku utraconej pojemności. Z przeprowadzonej analizy użytkowania samochodów elektrycznych w warunkach realnych (uwzględniając nie tylko koszty paliwa, ale także koszty eksploatacyjne samochodów, spadek wartości oraz zmienne warunki temperaturowe) wynika, iż samochód z silnikiem spalinowym nadal jest tańszy. Zastosowanie reenergetyzacji baterii VRLA pojazdów elektrycznych po określonej liczbie cykli pozwala na znaczne ograniczenie kosztów eksploatacji pojazdów EV i w rezultacie można uzyskać ich opłacalność rynkową, a także osiągnąć ich szybki zwrot w krótkim czasie (nawet bez dopłat rządowych do zakupu pojazdu EV). Zastosowanie szybkiej i bezpiecznej reenergetyzacji baterii akumulatorów powinno wpłynąć też na zwiększenie wartości rezydualnej pojazdów elektrycznych ze względu na możliwość odkupu zużytych ogniw na ukształtowanym rynku wtórnym zasobników pojazdów, poddaniu ich wielokrotnemu odzyskiwaniu energii i ponownej sprzedaży. Spowoduje to zwiększenie panującego obecnie niskiego zaufania kierowców sceptycznie nastawionych do elektrycznej motoryzacji. Mikrosieć oparta na akumulatorze VRLA AGM ma swoje zalety, do których należy zaliczyć możliwość zasilania gospodarstwa domowego w przypadku awarii głównej sieci zasilającej. Chcąc użytkować sprawną i spełniającą swe zadania mikrosieć prądu stałego

Samochód elektryczny jako zasobnik... 37 opartą na zasobniku VRLA z samochodu elektrycznego jako źródła prądu, należy uwzględnić kilka kwestii: podczas zasilania odbiorników domowych z akumulatora należy wyłączyć wszystkie zbędne odbiorniki i odłączyć je od sieci, dotyczy to także ładowarek oraz telewizorów i innych odbiorników pozostawionych w trybie stand by, wydzielenie w instalacji domowej sieci zasilanej z zasobnika akumulatorowego, zasilanie jedynie kluczowych odbiorów pozwoli zwiększyć ich całkowity czas pracy, należy kontrolować napięcie na akumulatorze podczas jego pracy, aby nie spadło poniżej zalecanego przez producenta minimum, pomoże to zachować początkową pojemność zasobnika. Akumulatory w sieci off-grid współpracujące z odnawialnym źródłem energii, takim jak ogniwa fotowoltaiczne narażone są na głębokie rozładowania ze względu na nieprzewidywalne warunki atmosferyczne w okresie nawet kliku dni. Przechowywanie rozładowanych akumulatorów skutkuje szybką utratą trwałości. Akumulatory w samochodach elektrycznych narażone są na głębokie rozładowania, przez co zmniejsza się ich trwałość. Dlatego też producenci samochodów elektrycznych zalecają, żeby akumulatory były doładowywane w każdej możliwej sytuacji i pracowały w płytkich cyklach ładowanierozładowanie. Przeprowadzony bilans energetyczny dla elektrycznego samochodu konwertowanego pokazał, że z punktu widzenia ekologicznego inwestycja nie jest korzystna w sytuacji ładowania akumulatorów z sieci elektroenergetycznej. W Polsce w przypadku produkcji energii elektrycznej w elektrowniach zawodowych przyjmuje się emisję dwutlenku węgla na poziomie 0,89 t/mwh. Dla samochodu konwertowanego sumaryczna emisja CO 2 jest wyższa o 8,8 kg/100 km (czyli ponad 50% więcej) niż w przypadku samochodu z silnikiem spalinowym. Sytuacja może się poprawić, jeśli baterie będą ładowane z kogeneratora gazowego, wówczas emisja CO 2 dla samochodu EV wyniesie ponad 7 kg/100 km mniej. Aby efekt ekologiczny elektrycznego samochodu konwertowanego był widoczny, emisja CO 2 powinna być niższa od 0,5 t/mwh. Sytuacja znacznie się poprawia w przypadku ładowania akumulatorów EV z odnawialnych źródeł energii, wówczas efekt ekologiczny jest liczony z mnożnikiem 2,5. W Europie najmniejszy wskaźnik emisji CO 2 przy produkcji energii elektrycznej mają Szwecja- 0,023 t/mwh i Francja- 0,053 t/mwh oraz wysoko rozwinięte państwa pozyskujące energię głównie ze źródeł odnawialnych (Austria, Szwajcaria, kraje skandynawskie itd.). O przyszłości tego środka transportu zadecyduje fakt, że energia pierwotna potrzebna do jego napędu może być nawet trzykrotnie mniejsza niż w wypadku samochodu spalinowego, a koszt paliwa nawet pięciokrotnie niższy, przy obecnych relacjach cen paliw transportowych i energii elektrycznej, w dodatku bez dyskontowania korzyści, które pojawią się przy internalizacji kosztów uprawnień do emisji CO 2. Pozytywne efekty związane z EV

38 M. Fice, R. Setlak mogłyby być chronione, jeśli nie nastąpi eskalacja konsumpcjonizmu w obszarze związanym z tym samochodem, co może wymagać działań na rzecz autoograniczeń globalnego społeczeństwa [5]. Szkoląca się obecnie kadra menadżersko-inżynieryjna w nowym budowanym obecnie modelu energetyki rozproszonej przy projektowaniu Inteligentnych Miast, sieci Smart Grid i sieci carsharingu będzie musiała zmierzyć się z zagadnieniami typu: 1. biznesowy model doboru i wykorzystywania dobowego pojemności zasobników energii na potrzeby Smart Grid, 2. dostosowanie do norm oraz wymogów bezpieczeństwa stawianym pojazdom silnikowym oraz instalacjom elektrycznym, 3. wykorzystanie procesu rekuperacji energii hamowania do modelu biznesowego w pracy dla testu NEDC i handlu zielonymi certyfikatami, 4. dobór komponentów układu zasilania i magazynu energii pojazdu elektrycznego. BIBLIOGRAFIA 1. Rifkin J.: Trzecia rewolucja przemysłowa. Wydawnictwo Sonia Draga, Katowice 2012. 2. Setlak R., Dykta M., Dylong K.: Comparison of operating costs of cars Fiat Panda with combustion and electric engines. Conf. LVEM 2011, Brno 2011. 3. Wartości opałowe (WO) i wskaźniki emisji CO2 (WE) w roku 2010 do raportowania w ramach Wspólnotowego Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji za rok 2013, KOBIZE, Warszawa 2012. 4. Setlak R., Dylong K., Dykta M.: Comparative analysis of electric drive in the car city. XI International Conference on Low Voltage Electrical Machines. Conf. LVEM 2011, Brno 2011. 5. Popczyk J.: Energetyka rozproszona od dominacji energetyki w gospodarce do zrównoważonego rozwoju, od paliw kopalnych do energii odnawialnej i efektywności energetycznej, 2012. Polski Klub Ekologiczny, Okręg Warszawski. Warszawa 2011. [online] http://www.cire.pl/pliki/2/e_rozpr_popczyk.pdf. Dr inż. Marcin Fice, Dr inż. Rafał Setlak Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny Instytut Elektrotechniki i Informatyki ul. Akademicka 10 44-100 Gliwice e-mail: Marcin.Fice@polsl.pl Rafal.Setlak@polsl.pl